(57)【要約】【課題】  交流受電用コンバータ回路用半導体スイッチング素子の発生損失を均等に分散し、ひいては冷却器の大型化を防ぐ。【解決手段】  このコンバータ回路２は３レベルコンバータ回路であり、かつその外側のＵ相半導体スイッチング素子１１，２１及び１４，２４、Ｖ相半導体スイッチング素子１５，２５及び１８，２８を２並列接続し、その内側のＵ相半導体スイッチング素子１２，２２，３２，４２及び１３，２３，３３，４３、Ｖ相半導体スイッチング素子１６，２６，３６，４６及び１７，２７，３７，４７を外側より定格電流の小さい素子を４並列接続する構成である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力し直流電圧に変換し、さらにその直流電圧を可変電圧可変周波数電圧に変換して負荷電動機のために出力する電気車制御装置におけるコンバータ回路であって、
３レベルコンバータ回路にして、その外側の半導体スイッチング素子を２並列接続し、その内側の半導体スイッチング素子として前記外側の半導体スイッチング素子より定格電流の小さい半導体スイッチング素子を４並列接続したことを特徴とする電気車制御装置におけるコンバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気車制御装置におけるコンバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２に従来の代表的な交流受電用の電気車制御装置の構成を示してある。この従来の電気車制御装置は、基本的にはトランス１、３レベルコンバータ回路（ＣＯＮ）２、３レベルインバータ回路（ＩＮＶ）３、駆動用モータ４で構成されている。
【０００３】
新幹線電車のような高速電車の場合、このコンバータ回路２の入力電流ＩＳＡは、電気車の加速に合わせて増加し、例えば図３のような定出力領域１００ｋｍ／ｈ〜２５０ｋｍ／ｈの広い範囲で最大となる。この定出力領域でのコンバータ回路２の動作は次のようになる。
【０００４】
図４は従来の電気車制御装置における３レベルコンバータ回路２の詳細を示し、図５、図６は半導体スイッチング素子のゲートタイムチャートと主回路の電圧、電流波形を示している。図４の半導体スイッチング素子１１〜１８は、図面上それぞれ１個で記述しているが、実際は全て２並列接続である。
【０００５】
国内における新幹線電車駆動用の電気車制御装置の場合、図２において中間リンク電圧ＥＦＣＰ＝ＥＦＣＮ＝１２００Ｖ〜１５００Ｖ、入力電流ＩＳＡ（ｍａｘ）＝１０００Ａ〜１２００Ａの電圧・電流が目安となっており、これに見合う３レベルコンバータ回路の半導体スイッチング素子として３３００Ｖ−１２００Ａ定格のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が使われている。
【０００６】
３レベルコンバータ回路２の動作を、入力電流ＩＳＡが図４及び図５、図６に示した交流電源の正極性の半サイクルＴ期間について説明する。図５、図６に示したＴ期間のゲートタイムチャートは次のモードを意味する。Ｕ相は第１のモードとして、Ｕ１素子１１がオン、Ｕ２素子１２がオン、Ｕ３素子１３がオフ、Ｕ４素子１４がオフ、第２のモードとして、Ｕ１素子１１がオフ、Ｕ２素子１２がオン、Ｕ３素子１３がオン、Ｕ４素子１４がオフである。Ｖ相は、第３のモードとして、Ｖ１素子１５がオフ、Ｖ２素子１６がオン、Ｖ３素子１７がオン、Ｖ４素子１８がオフ、第４のモードとして、Ｖ１素子１５がオフ、Ｖ２素子１６がオフ、Ｖ３素子１７がオン、Ｖ４素子１８がオンである。これらのモードの組み合わせで、正極性の半サイクルを動作する。
【０００７】
つまり、図７に示すように、Ｕ相の第２モードとＶ相の第４モードで交流電源５、トランスの漏れインダクタンス６からＵ３素子１３のＩＧＢＴ部分→ダイオード５２→コンデンサ７２→Ｖ４素子１８のダイオード部分→Ｖ３素子１７のダイオード部分→交流電源５の経路で電流が流れ、直流電圧Ｏ〜Ｎ間（図２におけるＥＦＣＮ）を充電する。
【０００８】
次に、図８に示すように、Ｕ相の第１モードとＶ相の第３モードで交流電源５→トランスの漏れインダクタンス６→Ｕ２素子１２のダイオード部分→Ｕ１素子１１のダイオード部分→コンデンサ７３→ダイオード５３→Ｖ２素子１６のＩＧＢＴ部分→交流電源５の経路で電流が流れ、直流電圧Ｐ−Ｏ間（同ＥＦＣＰ）を充電する。負極性の半サイクルも同様な動作モードとなる。
【０００９】
以上のように、入力電流ＩＳＡがＩＧＢＴ部分に流れるのは内側の半導体スイッチング素子Ｕ３又はＵ２とＶ２又はＶ３だけであり、ダイオード部分に流れるのは、内側素子、外側素子とも同じである。従って、内側の半導体スイッチング素子Ｕ２、Ｕ３、Ｖ２、Ｖ３のＩＧＢＴ部分から大きな損失が発生するが、外側の半導体スイッチング素子Ｕ１、Ｕ４、Ｖ１、Ｖ４のＩＧＢＴ部分からの損失はほとんどない。このため、半導体スイッチング素子の冷却器は、特に最近のように環境問題から冷媒を使用しない冷却方式が増加する傾向にあるため、内側素子の発生損失で冷却性能を決める必要があり、大型化する問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、３レベルコンバータ回路の外側に接続された半導体スイッチング素子と内側に接続された半導体スイッチング素子の素子１個あたりの発生損失の均等化を図り、結果として冷却器の小型化が図れる電気車制御装置におけるコンバータ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、交流電源を入力し直流電圧に変換し、さらにその直流電圧を可変電圧可変周波数電圧に変換して負荷電動機のために出力する電気車制御装置におけるコンバータ回路であって、３レベルコンバータ回路にして、その外側の半導体スイッチング素子を２並列接続し、その内側の半導体スイッチング素子として前記外側の半導体スイッチング素子より定格電流の小さい半導体スイッチング素子を４並列接続したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、３レベルコンバータ回路の外側の半導体スイッチング素子は従来通り２並列とし、内側の半導体スイッチング素子は、定格電流の小さい半導体スイッチング素子を４並列で構成することで、１つの半導体スイッチング素子あたりの発生損失を均等化でき、結果として冷却器の小型化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１を用いて、本発明の１つの実施の形態の電気車制御装置におけるコンバータ回路について説明する。本実施の形態のコンバータ回路を含む電気車制御装置は、従来例と同様に図２に示す構成である。
【００１４】
そのような電気車制御装置におけるコンバータ回路（ＣＯＮ）２は図１に示す構成であり、３レベルコンバータ回路であって、Ｕ相の外側の半導体スイッチング素子１１，２１及び１４，２４は例えば３３００Ｖ−１２００Ａ定格素子を２並列とし、内側の半導体スイッチング素子１２，２２，３２，４２及び１３，２３，３３，４３は例えば３３００Ｖ−８００Ａ定格素子を４並列としている。Ｖ相も同様に、外側の半導体スイッチング素子１５，２５及び１８，２８は例えば３３００Ｖ−１２００Ａ定格素子を２並列とし、内側の半導体スイッチング素子１６，２６，３６，４６及び１７，２７，３７，４７は例えば３３００Ｖ−８００Ａ定格素子を４並列としている。各組の半導体スイッチング素子は同時にオン／オフ動作する。図１において、５は交流電源、６はトランスの漏れインダクタンスである。また、５１〜６４はダイオード、７１〜７４はフイルタコンデンサである。
【００１５】
本実施の形態のコンバータ回路２では、従来例と同様に図５に示すゲート信号によって駆動され、図６に示す交流−直流変換作用を行う。またそのときにスイッチング動作は、図７、図８に示した従来例と同様である。
【００１６】
本実施の形態のコンバータ回路２は、以上の構成により、例えば、直流電圧ＥＦＣＰ＝ＥＦＣＮ＝１２００Ｖ、入力電流ＩＳＡ＝１１００Ａ、コンバータ回路２のＰＷＭキャリア周波数１２６０Ｈｚの時、内側半導体スイッチング素子１個あたりの発生損失は、図４に示した従来の構成に比べて電流が半分になるので、ＩＧＢＴ部分≒６２０Ｗ、ダイオード部分≒３２０Ｗ、外側半導体スイッチング素子１個あたりの発生損失はダイオード部分≒６９０Ｗとなる。このように、従来の構成では内側の半導体スイッチング素子１個あたりの発生損失がＩＧＢＴ部分＝１４２０Ｗ、ダイオード部分＝６９０Ｗとなっていたものが、本実施の形態では素子１個あたりの損失が大幅に均等化される。最近、環境問題から冷媒を使わない冷却構造が増加する傾向にあり、素子１個あたりの発生損失で素子取付部の温度上昇が決まるため、本実施の形態のように各半導体スイッチング素子の発生損失の均等化ができればコンバータ回路の冷却器の最適化が図れ、従来よりも低い発生損失に対応した冷却器を採用することができ、ひいてはコストの低減、冷却器の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の１つの実施の形態の３レベルコンバータ回路の回路図。
【図２】交流受電の代表的な主回路システムの回路図。
【図３】新幹線電車などの高速車両の力行性能特性を示すグラフ。
【図４】従来の代表的な３レベルコンバータ回路の回路図。
【図５】上記従来の３レベルコンバータ回路のゲートタイムチャート。
【図６】上記従来の３レベルコンバータ回路の各部の電圧、電流の波形図。
【図７】上記従来の３レベルコンバータ回路の動作説明図その１。
【図８】上記従来の３レベルコンバータ回路の動作説明図その２。
【符号の説明】
【００１８】
１…トランス
２…コンバータ回路
３…インバータ回路
４…モータ
１１〜４７…半導体スイッチング素子
５１〜６４…ダイオード
７１〜７４…フイルタコンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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